提高ADCP在變動回水區(qū)的流量測驗精度

陳宏乾，石 令

（長江重慶航運工程勘察設(shè)計院，重慶 401120）

引言

三峽工程175 m（吳淞高程）蓄水運行后，長江上游涪陵至婁溪溝河段成為變動回水區(qū)。該河段屬典型的山區(qū)河流，航道具有“彎、淺、險、窄、急”的典型特征，水流比較紊亂，岸邊石嘴、石梁眾多大小礁石常見，地形十分復(fù)雜。隨著三峽樞紐蓄水、消落的水位調(diào)節(jié)影響，河床在蓄水期因水流變緩，逐漸淤積，在消落期因水流流速增大，對河床造成沖刷，庫區(qū)水位變化對河床地形影響較大。銅鑼峽水文測量項目位于水流條件及河床地形十分復(fù)雜的變動回水區(qū)，其流量測驗包括三個測次（枯水、中水、洪水），為了方便數(shù)據(jù)的對比分析，采用固定斷面及測速垂線點測流。在復(fù)雜的水流環(huán)境下，提高走航式ADCP流量測驗精度是本項目工作難點。

1 影響ADCP流量測驗精度的因素

1）儀器本身的系統(tǒng)誤差、儀器標稱參數(shù)與測區(qū)情況不匹配等。

2）水流條件及河床地形環(huán)境。

3）人為誤差：如儀器按裝不正確；斷面布置不合理；參數(shù)設(shè)置不正確；測船航速不穩(wěn)定；數(shù)據(jù)處理不合理；水深測量誤差等。

2 儀器合理選擇與正確安裝

2.1 選擇合適頻率的測量設(shè)備

1）斷面水深測量：采用雙頻GPS接收機結(jié)合HY1600型單頻測深儀。

2）斷面流量測驗：流速測驗采用瑞江600 kHz型聲學多普勒流速剖面儀。

圖1 聲學多普勒流速剖面儀（ADCP）

2.2 正確安裝ADCP設(shè)備

根據(jù)以往測量經(jīng)驗，安裝ADCP是否正確直接影響測量的精度和質(zhì)量。ADCP用支架牢固安裝在測量船弦的右側(cè)且離測船的距離大于0.5 m為宜，并呈自然垂直狀態(tài)，3#標識箭頭平行船體軸線。根據(jù)測船吃水、航速、流速等因素綜合考慮設(shè)置測流儀的吃水為0.5 m。

圖2 ADCP安裝

3 提高流量測驗精度方法

3.1 布設(shè)測流斷面

根據(jù)收集測區(qū)以往不同水位的水下地形、表面流速流向、航跡線等資料和現(xiàn)場踏勘情況，進行綜合分析布置測流斷面。測流斷面應(yīng)避開叢生水草、回流、斜流、死水、江中獨石等不利影響，要考慮不同水位觀測時設(shè)備的安全。測流斷面應(yīng)盡量選在水流平緩、水面寬闊、無淺灘的順直河段。

3.2 正確設(shè)置測流軟件參數(shù)

合理設(shè)置層厚（WS）和層數(shù)（WN）利于提高流量測驗的精度。層厚越小垂線上實測數(shù)據(jù)點越多，即流速分辨率越高，越接近實際流速值，可以使表層、底層的盲區(qū)相對減小。實測范圍相對增加，提高了測量精度，但是在水深不變的情況下，層厚越小層數(shù)就越多，采集的數(shù)據(jù)就越多，數(shù)據(jù)傳輸就變慢，會降低測流斷面上剖面總數(shù)，導(dǎo)致流速剖面橫向分辨率下降。如銅鑼峽DM9斷面最大水深67 m、平均水深42 m，結(jié)合儀器參數(shù)綜合分析確定層厚（WS）設(shè)置100 cm，層數(shù)（WN）設(shè)置80層比較合理。

3.3 減小斷面水深測量誤差

變動回水區(qū)含沙量高，用單頻測深儀施測斷面水深，有效地解決ADCP不能正常“底跟蹤”的水深失真問題。斷面水深測量的精度直接影響河道過水斷面的面積，因此減小斷面水深測量誤差擾為重要。

減小斷面水深測量誤差：

1）換能器安裝和GPS流動站安裝位置要保證定位中心與測深中心一致性。

2）在進行水深測量前、后，要對換能器吃水、測深儀配置參數(shù)進行現(xiàn)場比對校正。換能器吃水采用鋼卷尺直接量取水面至換能器底部距離的方式。測深儀校正選取在靜水區(qū)，先用溫度計量測水溫，然后用聲速剖面儀量取當天本河段有代表性的水中聲速，并把聲速值等相關(guān)數(shù)據(jù)輸入測深儀中進行參數(shù)設(shè)置。水深測量正式開始前還要通過用桿測的方式對測深儀水深進行比對檢查，并做好比測記錄，確認精度滿足要求后才開始觀測。

3）測點間距不大于實地5 m，斷面地形特征位置適當加密。

4）測量過程中保證流動站定位模式處于固定解模式，當RTK定位模式為浮點解或單點定位時，則停止作業(yè)，重新初始化GPS接收機。

圖3 聲速剖面儀mini SVP測量聲速

3.4 規(guī)范ADCP測量過程

1）控制測船船速：ADCP儀器參數(shù)設(shè)置后，測船橫渡的速度直接影響ADCP流量測驗的精度，當流速相同的條件下，水越深儀器接收的反射信號越慢。當船速過快時往往接收的數(shù)據(jù)不全，影響到流速分辨率。會增大盲區(qū)面積，甚至造成數(shù)據(jù)不連續(xù)。因此測船在施測過程中，測船始終保持慢車且盡量保持勻速運動，若條件允許船速接近或略小于水流速度為宜。在確保回波信號質(zhì)量良好和各種噪聲水平較低的前提下，最大船速可按下式計算：

式中：

ν為最大船速；

θ為沿測船行進方向波束角(°)；

Hm為測區(qū)某一測段的最淺水深(m)；一般調(diào)查作業(yè)，且水深變化較小時刻使用測區(qū)平均水深；

n為多波束每秒的采樣數(shù)。

2）每次施測均從左岸→右岸、右岸→左岸，施測兩個來回，取所測斷面流量的平均值作為實測流量值，并對施測時間及斷面流量進行現(xiàn)場記錄。

3）兩岸測至ADCP盲區(qū)水深處，以提高測量精度。在開始記錄和結(jié)速記錄之前要盡量保持測船一定時間內(nèi)（15 s）基本穩(wěn)定在一個位置上，盡量少漂移，這樣有利于測量岸邊的距離及采集岸邊區(qū)域有代表性的流速。

4）當測船在GPS實時導(dǎo)航下到達測速垂線點區(qū)域后，測船保持船位相對不動，此時ADCP開始實施垂線流速和流向觀測，采集數(shù)據(jù)不少于30組，取其平均值作為垂線實測流速流向值。

3.5 測速垂線加密處理

根據(jù)河道的寬度、水深、流態(tài)等綜合考慮布設(shè)測速垂線。測速垂線應(yīng)能控制地形和反映斷面流速橫向分布狀態(tài)，大致均勻布設(shè)，主流區(qū)域比邊灘密集，其位置應(yīng)盡可能固定，以便于測流成果的比較，了解斷面沖淤與流速變化情況，在水深或流速最大的位置要布設(shè)垂線，測流斷面上最少垂線數(shù)目根據(jù)河面寬度而定，一般規(guī)定如表1。

表1 測流斷面垂線數(shù)

注：河口地區(qū)可適當放寬。

水位漲落或河岸沖淤，使靠岸邊的垂線離岸邊距離太遠或流態(tài)變化較大的地方（流水與回水、死水分界線處）適當增加垂線點。詳細區(qū)分死（回）水面積，有利于提高流量測驗精度。垂線點加密位置如圖4。

圖4 垂線點加密

3.6 利用流向偏角改正流速

在走航式測流過程中會遇到斜流，特別是有枯水、中水、洪水測次的固定斷面，由于水位不同流向相差特別大，斜流不可避免。利用流向偏角改正流速，可以解決斜流問題，是提高ADCP在變動回水區(qū)的流量測驗精度常用方法之一。表2為距離七點73 m處水深21.7 m的改正流速值。

圖5 垂線有斜流

表2 用流向偏角改正流速

3.7 頂層、底層盲區(qū)處理及閉塞差控制

施測中對于ADCP頂層、底層盲區(qū)的處理采用冪指數(shù)法進行估算，冪指數(shù)均采用0.1667（經(jīng)驗值，適用于大部分河流），對于岸邊流量的估算則根據(jù)實測的大斷面圖形分別采用0.5～0.9系數(shù)進行處理。測流斷面流量閉塞差控制在5 %以內(nèi)，按下式計算：

單一河段：

分汊河段：

式中：

δ為流量閉塞相對誤差（用%表示）；mQ為單一河段，首尾控制斷面流量的平均值（3m/s）；

Qi為單一河段，第i個斷面的流量（m3/s）；

Qmn為分汊前或匯合后干流控制斷面的流量（m3/s）；

ΣQt為各汊道進口或出口控制斷面流量的總和（m3/s）。

4 精度比對

三峽庫區(qū)變動回水區(qū)銅鑼峽水文觀測項目ADCP流量測驗數(shù)據(jù)與同時間段寸灘水文站（銅鑼峽下游8 km且中間無支流）的預(yù)報流量相敏合。經(jīng)計算DM10、DM9、DM8的實測流量與計算流量較差分別為1.47 %、-1.22 %、-0.40 %（均小于5 %），說明測量數(shù)據(jù)可靠。精度比對結(jié)果表明：以上提高ADCP在三峽庫區(qū)變動回水區(qū)的流量測驗的方法是可行的。

表3 銅鑼峽與寸灘流量對比

5 結(jié)語

走航式ADCP流量測驗仍然是一項較新的技術(shù)。隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展，在信號處理技術(shù)上由窄帶ADCP發(fā)展為寬帶ADCP，外觀上將向輕巧、精密、智能化、多用途方向發(fā)展，ADCP儀器本身測量精度也不斷提高。

通過以上的方法，提高ADCP在三峽庫區(qū)變動回水區(qū)的流量測驗精度取得了一定的效果，積累了經(jīng)驗，但是影響ADCP測量精度因素較多（儀器誤差、水位變化、過往船只影響、泥沙含量相差較大等），在以后的流量測驗過程中，還要根據(jù)實際情況靈活運用。